1，電動伺服機構(gòu)總體設(shè)計

 1．1 電動伺服機構(gòu)的組成 電動伺服機構(gòu)主要由伺服電機、電機驅(qū)動器、減 速器、滾珠絲杠副、軸承組等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所 示。電動伺服機構(gòu)的傳動原理 是通過減速器將電 機的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)滾珠絲杠副的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為負載 的直線運動，同時利用伺服電機的閉環(huán)控制將伺服電 機精確的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、扭矩控制轉(zhuǎn)變成負載機構(gòu)的精 確速度、位置、推力控制，從而實現(xiàn)高精度直線運動。

這種電動伺服機構(gòu)設(shè)計主要考慮的特點是：在運 動全過程中能夠通過斷電勵磁制動器實現(xiàn)鎖定功能； 可實時反饋伸出行程，運行中間位置停止，重新起動 后反饋當前的絕對位置；當指令行程超出極限位置 時，能夠給I／O端口提供故障反饋信號，以及過壓、過 熱保護、極限限位等功能，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和可靠性 ，而且節(jié)約了使用成本。

 1．2 電動伺服機構(gòu)的控制系統(tǒng) 該電動伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)主要由上位機、DSP主 控電路、驅(qū)動電路、主電路、信號檢測電路(速度、位 置、電流、溫度反饋)組成，如圖2所示。

位置信號由上位機給出，速度信號由位置信號計 算得出。主控芯片選用 TI公 司生產(chǎn) 的高性能的 Delfino系列32位單精度浮點 DSP，其具有 200 MHz 的主頻，單精度浮點運算單元(FPU)、三角數(shù)學運算 單元(TMU)、維特比復雜數(shù)學運算單元(VCU)、可編 程控制律加速器 (CLA)、1MB Flash、2 CAN、20個 ADC(可配置為 16_bit模式或 12_bit模式)輸人通 道，還集成了多種外設(shè)。 控制系統(tǒng)設(shè)計采用全數(shù)字三閉環(huán)控制 J，上位 機給出位置信號，位置傳感器(光電式多圈絕對值編 碼器)通過測量絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，反饋電動伺服機構(gòu)推 桿行程，得到伺服機構(gòu)的實際位置，經(jīng)過微分計算得 到速度信號，通過速度環(huán)與電流環(huán)產(chǎn)生一定脈寬占空 比的 PWM波驅(qū)動控制電機，然后通過減速器與滾珠 絲杠副的作用使推桿作直線運動驅(qū)動負載，溫度信號 反饋至 DSP，進行電機運行狀態(tài)檢測和過溫保護。

 1．3 伺服電機的冷卻系統(tǒng) 伺服電機的冷卻系統(tǒng)(如圖3所示)屬于空氣強 制冷卻，特點是不僅可同時冷卻電機主體和斷電勵磁 制動器，而且在電機正、反轉(zhuǎn)時風扇都能起到冷卻作 用。其中起關(guān)鍵作用是雙向離心冷卻風扇，如圖4所 示：中心是風扇與軸的配合孔和鍵槽 ；左側(cè)徑向方向 外圓處設(shè)計了對稱圓弧槽，弧形槽 自左到右有一定縮 減弧度，總共有 8個，中心圓環(huán)槽的目的是減重；右側(cè)有4個突起，自身對稱，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生少量的風，有 8個 減重槽 ；冷卻風扇中間圓盤面，將電機主體的冷卻空 氣和斷電勵磁制動器的冷卻空氣隔離兩側(cè)，它的直徑 比安裝筒的直徑小 1 mm，這樣既滿足了安裝要求，也 能使雙向離 1、5,冷卻風扇的效率達到更高。

冷卻系統(tǒng)工作原理：電機啟動后，在左側(cè)，冷卻空 氣迅速地從電機蒙皮上的兩排進氣孔(每排 60個) 進入，并沿著蒙皮下電機主體上的多條螺旋冷卻槽 (增加接觸面積)流到電機軸帶動的雙向離心風扇端 面，帶走電機內(nèi)部產(chǎn)生傳導在電機殼上的大部分熱 量，隨后在風扇離心力的作用下甩出電機；在右側(cè)電 機安裝制動器的端面開有幾個扁孔，冷卻空氣由扁孔 進入沿著制動器與安裝筒座的縫隙被冷卻風扇吸人， 帶走制動器產(chǎn)生 的熱量，最后在離心力作用下排 出電機。

 2 ，電動伺服機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)計算 根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求和實際工況，得出電動伺服機 構(gòu)輸出主要性能要求如表 1所示。

伺服機構(gòu)絲杠副驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 絲杠受到的推拉力：F =28 000 N 絲杠螺母承受的轉(zhuǎn)矩： = + 1 F ·Ph 1 O00r／ 21T ： ． 二 27r 1 000叼 ≥ 式中： 為絲杠副的摩擦力矩； 為絲杠副預緊力 矩；Ph為絲杠導程； 為絲杠預緊力；叩 為絲杠傳動。

絲杠螺母齒輪受到的轉(zhuǎn)矩 1 絲杠螺母齒輪受到的轉(zhuǎn)矩：T．= -七 r／12．3 減速比 傳動系統(tǒng)選用電機經(jīng)一級斜 圓柱 輪減速驅(qū) 動絲杠副的結(jié)構(gòu)。 絲杠螺母的轉(zhuǎn)速．，2 = h 此設(shè)計選用一級斜 網(wǎng)柱齒輪傳動， ．為主動 斜齒輪齒數(shù)，z，為從動斜齒輪 數(shù)。 r， 減速比 i= L 1 2．4 電機參數(shù) I 根據(jù)功率計算公式：P=F·t ·__I ? 叼 式中，伺服機構(gòu)輸出推托力 F=F =28 000 N，伺 服機構(gòu)額定輸出速度 350 IllI'll／S。 電動伺服機構(gòu)在傳動過程中，總共使用了2組軸 承，軸承效率 為0．98；l級斜芮齒輪傳動效率 77 為 0．95。 總傳動效率： =r／ ·叼 ·叼 1 將總傳動效率帶入，得電機功率：P=F· · 叩 電機實際額定轉(zhuǎn)速 1=i ，l 一11 000 r／min 根據(jù)以上分析計算知，所設(shè)計伺服機構(gòu)輸出均滿 足要求 3 初步控制系統(tǒng)仿真及試驗驗證 通過對伺服電機控制系統(tǒng)進行初步實際調(diào)試，可 得卒載時的階躍指令響應(yīng)曲線如 5所示。可見響 應(yīng)時問短速度快，在允許范同內(nèi)基本沒有超調(diào)，控制 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好。